基于STEM理念的小学Arduino机器人校本课程教学实践

摘 要 在小学阶段开展Arduino机器人教育，不仅具有很强的实践性、综合性，而且对于小学生创造力思维以及实践能力的培养具有重要的核心价值。在阐述STEM教育理念、Arduino机器人概念，分析STEM理念下小学Arduino机器人教育价值的基础上，以“手势控制呼吸灯”为例，探索基于STEM理念的小学Arduino机器人校本课程教学设计策略。

关键词 STEM理念;小学机器人教育;教学设计;校本课程;Arduino机器人

中图分类号：G623.58 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）07-0059-03

1 前言

作为“制造”大国向“智造”大国迈向的教育基础，机器人教育逐渐成为小学信息技术课程中必不可少的内容。而STEM理念是美国面对人才竞争提出的一项国家教育战略，其对小学机器人教育产生深远影响。然而，目前小学机器人教育处于十分尴尬的位置，除了技术细节不公开，厂商硬件设备标准不统一，硬件价格昂贵外，还缺乏完善的课程体系，未能将机器人课程纳入常规课程教学。因此，研究基于STEM理念的小学Arduino机器人校本课程教学具有重要意义。

2 相关概念概述

STEM理念 STEM是科学、技术、工程、数学四个英文首字母的组合体，但其并不是这些课程的简单组合，而是强调学生在杂乱无章的学习情境中获得设计、合作、实践、创新等能力的提升。其旨在消除传统教学中各学科知识割裂的现象，让学生在零碎知识与机械工程中经历探究世界的过程。在具体教学实践中，STEM教育理念表现为综合性、回归性、实践性、丰富性四个特征。

Arduino机器人 与Java、C语言IDE集成开发环境相类似，Arduino机器人构建于开放原始码simple I/O界面，是一个基于开放原始码的软硬体平台。其设计之初就是通过利用它，快速地学习电子和传感器等基础知识，优势在于培养学生良好的信息素质、创新精神和实践能力，同时促使学生掌握机器人机械、传感和控制部分的设计与搭建等基本知识与技能。

3 STEM理念下小学Arduino机器人教育的价值

满足学生现实发展需求 STEM理念下小学Arduino机器人教育的实施，不仅能够让学生利用已有知識经验和生活经验，将所学各种知识灵活应用到不同学习活动之中，有效提高学生的创新能力、实践动手能力以及问题解决能力，而且打破学科之间的界限，让学生在“做中学、玩中学、错中学”，有效激发学生探究的兴趣，拓宽学生的视野，达到促进学生全面发展的目的。如笔者从实际需求和节约能源角度出发，引导学生设计走廊里的声控灯，让学生在综合应用物理学科中的声音、光等知识的基础上，动手、动脑，帮助学生养成乐于学习、敢于创新的学习态度。

满足学生未来发展需求 伴随科技成果带来的快速发展，人们也面临生态环境恶化等一系列问题，这些问题的出现显然对现代教育提出严峻的挑战。纵观国外发达国家面对上述挑战，几乎都是加大课程改革力度，通过开设机器人课程满足未来发展需求。因此，实施STEM理念下小学Arduino机器人教育，能够为学生从事更高层次的研发工作积累宝贵经验，为学生的终身发展奠定基础。特别是通过机器人课程技术思想、基础知识和基本操作技能的学习，能够为学生面对未来挑战奠定基础。

4 基于STEM理念的小学Arduino机器人校本课程教学设计

设计框架构想 笔者结合多年小学机器人教育实践，借鉴DBR（Design-based Research）的一般研究过程，设计出图1所示基于STEM理念的小学Arduino机器人校本课程教学设计模型。该模型是实施共分为五个阶段。

1）广播考察阶段。广播考察阶段是设计研究的基础环节，主要是从机器人教育实践的角度分析现阶段机器人教育内容。在具体实践中，为了给小学Arduino机器人教育提供教学内容上的参考和依据，教师应从教材、教学案例以及教学需求三个方面进行分析，全面了解和掌握一线教师和学生对教学内容的实际需求。

2）设计开发阶段。设计开发阶段是设计研究的重要环节，主要是对干预系统的设计和开发，为了有效保证研究的价值性和针对性，往往需要研究者、实践者、管理者等人员共同设计与开发。

3）实施验证教育干预阶段。实施验证教育干预阶段是设计研究的关键环节，主要是将基于STEM理念的小学Arduino

机器人应用到具体教学实践中，并对于出现的不足进行修改和重新设计，不断对其进行修改和完善。

4）分析评价教育干预阶段。分析评价教育干预阶段是为今后开展相关研究提供参考，主要包括多样化评价和多元化的机器人教育两个部分，总结出小学Arduino机器人教育的各种成果，形成机器人教育项目库。

5）完善优化教育干预阶段。完善优化教育干预阶段是根据分析评价结果，不断丰富和完善原有小学Arduino机器人，并对其进行推广和优化。

设计原则

1）实践性原则。小学Arduino机器人教育更多体现的是以工程为主线的设计性和探究性等问题，就是让学生全程参与小学Arduino机器人的设计和制作，具有很强的实践性。

2）综合性原则。由于STEM教育具有综合性，因此，在具体设计过程中要体现综合性的特点，使学生在探究时能够整合数学、工程、科学等领域的知识和技术，从而提高学生的STEM素养。

3）趣味性原则。要立足于现实生活实际，从学生兴趣出发，设计出有趣味性的项目。如在实施LED项目时，笔者从学生周边的声控灯出发，有效激发学生探究的兴趣。

4）创造性原则。不能实施教条式的课本知识灌输，而是在具体设计过程中通过发现生活中的问题，注重创造性思维的开发，再运用机器人知识和技术有效解决实际问题。

教学实践 实施基于STEM理念的小学Arduino机器人教育的总目标，是提高学生的创新能力、综合设计能力以及动手实践能力。笔者在综合教材、教学案例以及教学需求的基础上，以Arduino为平台，以智能LED为主题进行探究。

1）多媒体视频展示，引入新课。为了激发学生探究的兴趣，笔者在上课前播放一段名为“酷毙灯”的视频，并要求学生在欣赏视频的同时思考视频中所展示的灯与平常所见到的灯有什么异同。在播放完毕之后随机提问学生，如果提问学生回答为手势，笔者则继续提问：这些手势是如何识别的？手势有哪些情况？等等。如果提问学生回答为传感器时，笔者则以“什么是传感器”“传感器有哪些功能”等问题进行提问。如果学生不能够有效回答，笔者则通过“视频中的灯有没有按钮”“平常的灯是如何控制的”等问题进行提示，并引出本节新的课题。

2）布置任务，合作探究。为了使得探究取得理想的效果，笔者及时介绍手势识别的一些技术和原理，并以此为契机，引导学生以“光线传感器、按钮能否识别出各种手势”为主题，进行组间讨论和查阅资料，并在上述讨论基础上介绍具有检测障碍物功能的数字防跌落传感器，即该传感器的优势在于能检测出是否存在障碍物，不足是无法检测出方向。然后以该传感器自身不足为主题，继续探讨如何应用这样的传感器识别出手势方向。在此过程中，笔者引入数学基本知识，类比平面中点的确定方式，探讨得出至少需要传感器才能识别出手势方向，并现场在黑板上贴放两个传感器，模拟检测到手勢的时间先后来识别手势。探讨总结出两个传感器识别出手势的思路，即利用物理学路程与时间关系式t=s/v，并将手势识别这个抽象的问题转化为易于理解和实现的手势控制LED流程图（如图2所示）。

3）探究任务，搭建硬件。为了将上述获得的知识应用于具体实践中，笔者在提供手势从左到右点亮LED等程序以及LED、演示传感器等器材的基础上，设计探究任务：手势从左到右点亮LED，手势从右到左熄灭LED。在具体探究过程中，笔者对出现的问题及时给予指导。如当有学生提出两个传感器同时检测到手势时，LED会出现闪烁现象，此时，笔者及时组织学生回顾手势识别的过程并修改程序。

4）展示交流，课堂总结。根据教师布置的教学任务，邀请小组展示设计思路和成果，谈谈自己在具体实践过程中的收获;其他学生在聆听的基础上对其进行评价，提出修改和完善意见。如笔者提出“哪个组愿意给大家展示下你们的成果”，邀请学生进行展示和交流。同时，教师应对学生探究过程中出现的共性问题进行讲解，总结和补充概括学生讲解的，鼓励学生归纳本节课的操作知识，以及探究问题的过程。又如，笔者选取其中一个小组的作品作为范例，从创新性等多个角度进行评价，并通过演示手势控制PPT的过程对本节课进行总结，要求学生在课后利用所学知识或上网查阅资料等方式尝试实现自己的想法。

值得说明的是，任何一种教学方案的效果都需要在提出解决问题的基础上进行修改和完善。因此，在具体教学实践中，教师应采用逐步改进的方法，把最初的设计付诸实施，并根据教学实践效果不断进行完善和优化。

5 结语

综上所述，基于STEM理念的小学Arduino机器人校本课程教学符合现代教学理念，不仅激发了学生学习的兴趣，让他们掌握了机器人的知识与技术，制作出各种丰富有趣的作品，而且充分发挥学生的主动性，提高解决问题的能力以及STEM素养，有效促进学生全面发展。

参考文献

[1]吴秀凤，陈奕贤.STEM理念下中小学Arduino机器人教学模式研究[J].福建电脑，2015（5）：138-139.

[2]秦换鱼.STEM理念下的简易机器人教学研究[J].中国信息技术教育，2016（9）：66-68.